核糖核酸酶Sa表面水和尿素分子的分布和动力学行为的分子动力学模拟

引用本文: 杨科成, 崔凤超, 李云琦. 核糖核酸酶Sa表面水和尿素分子的分布和动力学行为的分子动力学模拟[J]. 应用化学, 2018, 35(10): 1243-1248. doi: 10.11944/j.issn.1000-0518.2018.10.170342 shu

Citation: YANG Kecheng, CUI Fengchao, LI Yunqi. Distribution and Dynamics of Water and Urea in Hydration Shell of Ribonuclease Sa: A Molecular Dynamics Simulation Study[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2018, 35(10): 1243-1248. doi: 10.11944/j.issn.1000-0518.2018.10.170342 shu

核糖核酸酶Sa表面水和尿素分子的分布和动力学行为的分子动力学模拟

杨科成 ^a,b, ,
崔凤超 ^{a,
,} ,
李云琦 ^{a,
,}

a.
中国科学院长春应用化学研究所, 合成橡胶重点实验室长春 130022
b.
中国科学院大学北京 100049

通讯作者: 崔凤超, 助理研究员, Tel:0431-85262524, Fax:0431-85262535, E-mail:fccui@ciac.ac.cn, 研究方向:蛋白质-配体相互作用和高分子膜结构与性能的分子模拟; 李云琦, 研究员, Tel/Fax:0431-85262535, E-mail:yunqi@ciac.ac.cn, 研究方向:高分子材料和生物大分子体系的计算模拟

基金项目:

国家自然科学基金（21374117，21504092）、中国科学院百人计划资助

摘要: 利用分子动力学模拟研究了在不同尿素浓度下，核糖核酸酶Sa（RNase Sa）表面水和尿素分子的分布和动力学行为。结果表明，尿素分子可与RNase Sa酶形成较强的相互作用，并取代其表面的水分子而富集在蛋白质表面。尿素分子更倾向与RNase Sa酶的疏水残基作用，与RNase Sa酶主链形成氢键的能力更强。尿素分子的平动和转动远远慢于水分子的平动和转动。RNase Sa酶表面水分子的平动和转动随着尿素浓度增加而逐渐变慢，但RNase Sa酶表面尿素分子的动力学并不依赖于尿素浓度变化。本研究中明晰的RNase Sa酶表面水和尿素分子分布和动力学有助于理解水和尿素分子对蛋白质稳定性的影响。

关键词:

English

Distribution and Dynamics of Water and Urea in Hydration Shell of Ribonuclease Sa: A Molecular Dynamics Simulation Study

YANG Kecheng ^a,b, ,
CUI Fengchao ^{a,
,} ,
LI Yunqi ^{a,
,}

a.
Key Laboratory of Synthetic Rubber, Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130022, China
b.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Corresponding author: CUI Fengchao, research assistant; Tel:0431-85262524, Fax:0431-85262535, E-mail:fccui@ciac.ac.cn Research interests:simulation research of macromolecules and biomolecules; LI Yunqi, professor; Tel/Fax:0431-85262535, E-mail:yunqi@ciac.ac.cn; Research interests:simulation research of macromolecules and biomolecules

Received Date: 18 September 2017
Accepted Date: 24 November 2017
Revised Date: 16 October 2017
Available Online: 10 October 2018
Fund Project:

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.21374117, No.21504092), the One Hundred Person Project of the Chinese Academy of Sciences

Abstract: Extensive molecular dynamics simulations were performed to study the distribution and dynamics of water and urea in the hydration shell of ribonuclease Sa(RNase Sa) under different urea concentrations. It is found that urea molecules have stronger interactions with protein than water molecules and are enriched on the surface of RNase Sa by displacing water molecules. Urea molecules prefer to interact with hydrophobic residues and form hydrogen bonds with the backbone of RNase Sa. The transitional and rotational dynamics of urea molecules are much slower than those of water molecules. Besides, the increased urea concentrations can slow down the transitional and rotational dynamics of water molecules, but have no regular influences on the dynamics of urea molecules. Our results can help understanding the different influences of urea and water molecules on the stability of proteins.

Key words:

水和尿素对蛋白质的稳定性有截然不同的影响。水是生命中最重要的物质之一^[1-2]，球蛋白在水中可以自发地折叠成特定空间排列的三维结构^[3]，从而行使其特定的生理功能。尿素分子则是最常见的变性剂^[4]，能够破坏蛋白质的三维结构。然而到目前为止，人们仍不清楚水和尿素分子是如何具体影响蛋白质结构的。

蛋白质折叠时把疏水残基埋藏在分子内部的现象被称为疏水作用(hydrophobic effect)，疏水作用被认为是蛋白质折叠的最主要的驱动力^[3]。此外，研究发现蛋白质表面水的性质与本体溶液中水的性质大不相同^[1]，表面水在蛋白质折叠、蛋白质行使生理功能时的构象转换和分子识别中发挥着重要作用，被称为“生物水”(biological water)^[5]。核磁共振实验发现蛋白质表面水分子的平动和转动显著慢于本体溶液中的水分子的平动和转动^[1]，水分子的动力学和蛋白质的动力学是耦合的，最显著的现象是在水分子存在的情况下，在180和240 K之间，蛋白质中原子的动力学会突然增加，这一现象被称为蛋白质的动力学转变(protein dynamical transition, PDT)^[6]，此外解折叠态的蛋白质表面水的转动速率大约是折叠态表面水的转动速率的2倍^[7]。

中性的尿素分子因其可以在常温下使蛋白质变性且变性过程可逆而被广泛用于研究蛋白质折叠和稳定性^[4]，但是其使蛋白质变性的机理还不是十分清楚^[8]。目前，提出的两个主要机理分别是：1)尿素通过改变蛋白质表面水分子的结构而减弱了水分子的疏水作用，进而使蛋白质变性的间接作用机理^[9]；2)尿素通过与蛋白质直接作用而使蛋白质变性的直接作用机理^[10]。目前越来越多的实验和模拟结果证实，尿素更倾向于在蛋白质表面富集而支持直接作用机理是尿素使蛋白质变性的主要原因^[10-11]。尿素分子在蛋白质主链和侧链^[12]，疏水和亲水残基周围^[11]的分布也有大量研究，尿素分子与蛋白质疏水核心长时间的相互作用^[13]被认为在蛋白质变性中起重要作用，但是尿素分子详细的平动和转动的动力学行为却很少被研究。

本文，我们利用分子动力学模拟(molecular dynamics simulations, MD)研究了不同尿素浓度下，核糖核酸酶Sa(RNase Sa)表面水和尿素分子的分布和动力学行为。RNase Sa^[14]是由金色链霉菌分泌的特异性水解RNA的酶，属于核糖核酸酶超家族，含有96个残基，具有一个α-螺旋，5股β-折叠(图 1插图)。

图 1

图 1. 不同尿素浓度中RNase Sa酶的主链原子RMSD随时间变化曲线。插图中是8 mol/L尿素溶液中RNase Sa酶最后10 ns的平均结构(浅色)与晶体结构(深色)

Figure 1. Time evolution of backbone RMSDs of RNase Sa under different urea concentrations.

Inset is the superposition of the crystal structure(1RGG, dark color) and average of equilibrated conformations(light color) in 8 mol/L urea

下载: 全尺寸图片幻灯片

1. 计算方法

本文中所有的MD模拟均是由NAMD2.12^[15]软件完成，蛋白质力场为包含CMAP^[16]校正的CHARMM22力场^[17]，尿素力场参数采用CGenFF^[18]，水分子采用TIP3P模型。模拟中使用的RNase Sa酶结构(PDBID：1RGG)来源于蛋白质数据库(PDB)^[19]，首先利用VMD^[20]软件将质子态设为PH 3.0的RNase Sa酶浸入一个预先平衡的尿素/水盒子中，蛋白质的边界和溶剂盒子边界之间的距离最小为0.7 nm，尿素的浓度分别为0、2、4、6和8 mol/L，加入7个Cl^-离子使体系总电荷呈中性。模拟前首先进行2000步的共轭梯度法能量最小化，然后在NPT系综下，给蛋白质所有重原子施加一个100 kcal/(mol·nm^-2)的约束力，在保证蛋白质构象不发生大的变化的情况下进行5 ns的MD模拟，该模拟过程可以使水和尿素分子在蛋白质周围分布平衡并调节系统体积，接下来撤掉约束力，在NVT系综下进行25 ns的MD模拟，模拟轨迹每200 fs保存1次，最后10 ns的结果用以分析。模拟温度为310 K，由Langevin动力学方法控制。NPT系综下的压强为1.01×10⁵ Pa，由Nose′-Hoover Langevin piston方法控制。利用SHAKE算法约束键长使积分步长为2 fs，模拟中采用了周期性边界条件，短程和长程非键相互作用分别每2 fs和4 fs计算1次，短程的非键相互作用的截断半径为1 nm，长程的静电力利用Particle Mesh Ewald(PME)方法计算。

2. 结果与讨论

图 1展示了在不同尿素浓度中，RNase Sa酶的主链原子在MD模拟过程中相对其初始构象的均方根偏差(Root-mean-square deviation, RMSD)随时间变化的情况。从图 1中可以看到，在25 ns的模拟时间内，在所有尿素浓度溶液中，RNase Sa酶的结构都非常稳定，其RMSD的变化均小于0.25 nm。在最后10 ns的模拟时间内RMSD的波动小于0.05 nm，说明RNase Sa酶到达局域平衡状态。图 1插图中展示了RNase Sa酶在8 mol/L尿素溶液中最后10 ns的平均结构(浅色)与晶体结构(深色)的对比，从图中可以看到模拟过程中构象的主要变化发生在二级结构(α-螺旋和β-折叠)片段间的连接区(loop)，而二级结构几乎未发生变化。通常情况下，蛋白质在尿素溶液中变性时间在毫秒以上^[11]，因而当前研究中我们没有发现RNase Sa酶结构在尿素溶液中发生明显改变。本研究的主要目的是明晰不同尿素浓度下RNaseSa酶表面尿素和水的分布及动力学差别，相似的蛋白质构象有利于排除蛋白质构象对其造成的影响。

图 2描绘了不同尿素浓度中水和尿素分子的氧原子在RNase Sa酶表面0.5 nm内的分布情况。由图 2可以看出，随着尿素浓度的增加，RNase Sa酶表面的尿素分子数目逐步增加，而水分子数目却在减少，这意味着尿素分子逐渐取代了RNase Sa酶表面的水分子而富集在其表面，此外水和尿素分子在RNase Sa酶表面的最可几分布的位置相同。计算RNase Sa酶表面尿素与水分子的比值(图 2插图)发现，当尿素浓度大于2 mol/L时，在RNase Sa酶表面0.16 nm以内尿素分子数目多于水的数目(比值大于1)，这说明相比于水, 尿素分子与RNase Sa酶结合的更紧密，可能对RNase Sa酶的结构产生更大的影响。为了进一步对比尿素和水与RNase Sa酶的亲和力差别，我们计算了尿素在RNase Sa酶水合层内和本体溶液中的分配系数K_p(定义为水合层内尿素和水分子数目比与本体溶液中尿素与水分子数目比之间的比值)，计算结果列于表 1。水合层的定义为尿素/水分子的任一原子与RNase Sa酶的任一原子的距离小于0.35 nm，而当距离大于0.6 nm时则被定义为本体溶液。从表 1可以看到，K_p随着尿素浓度的增加而降低，但K_p始终大于1，说明相比于水分子，RNase Sa酶更倾向与尿素分子结合，这也与图 2中尿素分子取代水分子而富集在RNase Sa酶表面的结果一致。

图 2

图 2. 不同尿素浓度中水(深色)和尿素分子(浅色)中氧原子在RNase Sa酶周围的距离分布情况。插图为尿素分子和水分子数目比值的距离分布情况

Figure 2. Distributions of oxygen atoms of water(dark color) and urea(light color) depending on the distance away from any atom of RNase Sa surface. The inset shows the distribution of ratio of oxygen atoms of urea and water

a, b, c, d, e denote the 0, 2, 4, 6, 8 mol/L urea concentrations, respectively

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1

表 1 不同尿素浓度中尿素分子在RNase Sa酶水合层内和本体溶液中的分配系数K_p和尿素分子在疏水和亲水残基周围的分布情况

Table 1. The partition coefficient of urea in the hydration shell and bulk(K_p) and distributions of urea molecules around hydrophobic and polar/charged residues of RNase Sa under different urea concentrations

下载: 导出CSV

c(urea)/(mol·L^-1)	K_p	Hydrophobic Residues		Polar/Charge Residues		R^*
c(urea)/(mol·L^-1)	K_p	SASA/nm²	N_urea	SASA/nm²	N_urea	R^*
2	2.48±0.50	0.420 5±0.318 0	1.01±0.62	0.822 8±0.535 9	1.48±0.78	1.34
4	1.91±0.33	0.422 1±0.321 8	1.41±0.88	0.805 4±0.532 1	1.97±1.03	1.37
6	1.95±0.26	0.462 4±0.347 8	1.94±1.04	0.843 9±0.562 5	2.62±1.24	1.35
8	1.77±0.14	0.413 0±0.297 6	2.35±1.18	0.866 3±0.578 2	3.45±1.61	1.43
K_p is the ratio of R_uw(the urea/water ratio) in the hydration shell to R_uw in bulk water. SASA is the solvent accessible surface area of a residue. N_urea is the number of urea molecules. RO^* is the ratio of N_urea around hydrophobic residues and polar/charge residues at unit SASA.

从表 1中可以发现，疏水残基单位溶剂可及表面积周围富集的尿素分子数目是亲水(极性和带电)残基单位溶剂可及表面积周围的1.3倍，这说明尿素分子更倾向与疏水残基相互作用。尿素分子与疏水残基间更强的相互作用有利于稳定蛋白质的解折叠态^[11]而阻止蛋白质的折叠。

蛋白质内部的氢键尤其是主链间形成的氢键对维系蛋白质的空间结构非常重要。基于氢原子和受体原子距离(d_H—A)小于0.3 nm，∠DHA大于120°的(Donor-Hydrogen-Acceptor)氢键判断标准，我们分析了水和尿素分子与RNase Sa酶形成氢键的情况(见表 2)。从表 2可以看出，尿素浓度对水和尿素分子作为氢键供体和受体的影响很小，水和尿素分子作为氢键供体的比例均大于作为氢键受体的比例(R_D/A＞1)，但是考虑到水和尿素分子提供的氢键供体位点和氢键受体位点的比例分别为2和4，说明水和尿素分子均更倾向于作为氢键受体与蛋白质形成氢键。计算发现，单个尿素分子与RNase Sa酶形成的氢键数目是单个水分子与RNase Sa酶形成的氢键数目的1.5倍左右，并且尿素分子和RNase Sa酶主链形成氢键的数目多于和侧链形成的氢键数目(R_BB/SC为1.2)，但水分子与RNase Sa酶主链和侧链形成的氢键数目相当(R_BB/SC为1.0)。考虑到蛋白质主链间的氢键是蛋白质二级结构的主要维系力，因而尿素更易与RNase Sa酶的主链原子形成氢键表明其更易于破坏RNase Sa酶的二级结构，从而使RNase Sa酶变性。

表 2

表 2 水和尿素分子与RNase Sa酶形成的氢键分析

Table 2. Descriptions of water-protein and urea-protein hydrogen bonds formed

下载: 导出CSV

c(urea)/(mol·L^-1)	R_D/A		R_BB/SC		R_U/W
c(urea)/(mol·L^-1)	Water	Urea	Water	Urea	R_U/W
0	1.43±0.09	-	1.07±0.07	-	-
2	1.35±0.10	2.76±1.14	1.02±0.08	1.36±0.52	1.56±0.26
4	1.28±0.11	2.62±0.81	1.00±0.10	1.15±0.29	1.52±0.21
6	1.30±0.13	2.69±0.62	1.06±0.10	1.35±0.35	1.42±0.19
8	1.30±0.41	2.36±0.40	1.02±0.12	1.20±0.23	1.47±0.18
R_D/A is the ratio of urea and water acting as hydrogen bond(HB) donor and acceptor; R_BB/SC is the ratio of HBs of urea and water formed with backbone(BB) and side chain(SC) of RNase Sa; R_U/W is the ratio of protein-urea(U) HBs and protein-water(W) HBs normalized with the number of urea and water molecules in the hydration shell.

研究发现蛋白质和其表面溶剂分子的耦合运动对蛋白质结构的稳定性有很大影响。因而我们也分析了水合层内水和尿素分子的停留时间相关函数S(t)和偶极-偶极时间相关函数C_μ(t)(图 3)。S(t)和C_μ(t)分别描述水和尿素分子的平动和转动动力学，计算公式为:

$ S\left( t \right) = \left\langle {\delta \left( {0,t} \right)} \right\rangle $

(1)

$ {C_{\rm{ \mathit{ μ} }}}\left( t \right) = \left\langle {{\rm{cos}}\theta \left( {0,t} \right)} \right\rangle $

(2)

图 3

图 3. 不同尿素浓度中(A)RNase Sa酶水合层内水(深色)和尿素分子(浅色)的停留时间相关函数S(t)和(B)偶极-偶极时间相关函数C_μ(t)

Figure 3. (A) Survival time correlation function S(t), and (B)rotational time correlation function(TCF) C_μ(t) of water(dark color) and urea(light color) in the hydration shell under different urea concentrations

下载: 全尺寸图片幻灯片

当水或尿素分子在时间t内都处于水合层内时，δ(0, t)=1，否则δ(0, t)=0。θ(0, t)为水或尿素分子在0和t时刻的偶极间的夹角，水和尿素分子的偶极方向分别定义为从氧原子到两个氢原子连线中心和从氧原子到碳原子的方向。式(1)和(2)中，〈…〉表示统计平均。

从图 3可以看出，相比于水分子，尿素分子的S(t)和C_μ(t)衰减速度都要更慢。为了定量表征在不同尿素浓度中水和尿素分子在水合层内的平动和转动动力学，我们对衰减曲线进行了拟合，拟合方程为:

$ f\left( t \right) = \sum\limits_{i = 1}^3 {{A_i}{e^{ - t/{\tau _i}}}} $

(3)

式中，A_i和τ_i分别为幅度和时间常数。拟合曲线的R²均大于0.99，表 3列出了计算的平均动力学时间(〈τ〉=A₁τ₁+A₂τ₂+A₃τ₃)。由表 3可以看出，水分子的平动和转动的时间远远短于尿素分子对应的时间。此外，水分子的平动和转动随尿素浓度增加而减慢，这表明尿素分子影响了RNase Sa酶水合层内水分子的动力学。但是，尿素浓度对尿素分子的平动和转动没有规律性的影响。尿素分子更慢的动力学可能与尿素分子更大的质量和尿素分子与RNase Sa酶更强的相互作用(表 3)有关。尿素分子更慢的动力学行为使其与蛋白质有更长的作用时间，一方面有利于其稳定蛋白质中暴露的疏水残基而破坏疏水作用，另一方面有利于和蛋白质主链形成稳定的氢键，从而破坏蛋白质的天然态结构，这与Michela Candotti等^[13]发现尿素长时间停留在蛋白质疏水核心结果一致，他们认为尿素通过与疏水核心长时间的作用阻止了蛋白质的再折叠过程，并促进蛋白质进一步的解折叠。

表 3

表 3 不同尿素浓度中，RNase Sa酶水合层内水和尿素分子平均停留时间和旋转时间及其与RNase Sa酶平均的相互作用强度

Table 3. Amplitude-weighted average survival time and rotational time of water and urea molecules in hydration shell and average interaction strength between them and protein in different urea concentrations

下载: 导出CSV

c(urea)/(mol·L^-1)	Survival time/ps		Rotational time/ps		Interaction energy/(kcal·mol^-1)
c(urea)/(mol·L^-1)	〈τ_S^W〉	〈τ_S^U〉	〈τ_C^W〉	〈τ_C^U〉	〈E_PW〉	〈E_PU〉
0	15.35	-	6.41	-	-3.9	-
2	17.98	58.74	8.29	23.98	-4.6	-9.2
4	21.21	50.47	9.56	25.48	-4.2	-8.1
6	23.24	59.52	10.13	25.06	-4.2	-7.6
8	27.11	74.39	12.81	33.48	-4.4	-7.8

3. 结论

利用分子动力学模拟研究了不同尿素浓度中RNase Sa酶表面水和尿素分子的分布和动力学性质，发现水和尿素分子在RNase Sa酶周围的最可几分布的位置相同。RNase Sa酶与尿素分子相互作用更强，二者结合的也更紧密，尿素分子通过取代水合层内的水分子而在RNase Sa酶表面富集。尿素和水分子都更倾向于作为氢键受体与蛋白质形成氢键。相比于水分子，单个尿素分子与RNase Sa酶形成的氢键数目更多。尿素与RNase Sa酶主链形成氢键的能力更强。尿素分子更易和RNase Sa酶的疏水残基作用。水合层内尿素分子的平动和转动远远慢于水分子的平动和转动，尿素浓度的增加会减慢水分子的动力学。尿素分子更慢的动力学使其与蛋白质有更长的作用时间。我们认为尿素分子与疏水残基更强的作用，更强的与RNase Sa酶主链形成氢键的能力和与RNase Sa酶更长的作用时间有利于RNase Sa酶变性。综上所述，我们的模拟结果有利于理解水和尿素分子对蛋白质结构稳定性的影响机理。

1. [1]
  Biedermannová L, Schneider B. Hydration of Proteins and Nucleic Acids:Advances in Experiment and Theory. A Review[J]. Biochim Biophys Acta, 2016, 1860(9): 1821-1835. doi: 10.1016/j.bbagen.2016.05.036
2. [2]
  Hu J, Cao Z X. Water Science on the Molecular Scale:New Insights into the Characteristics of Water[J]. Natl Sci Rev, 2014, 1(2): 179-181. doi: 10.1093/nsr/nwt015
3. [3]
  Dill K A, MacCallum J L. The Protein-Folding Problem, 50 Years On[J]. Science, 2012, 338(6110): 1042-1046. doi: 10.1126/science.1219021
4. [4]
  Walters J, Milam S L, Clark A C. (2009)Practical Approaches to Protein Folding and Assembly: Spectroscopic Strategies in Thermodynamics and Kinetics[M]//Michael L Johnson, Jo M Holt, Gary K Ackers. Methods in Enzymology. Academic Press, 2009, 8: 1-39.
5. [5]
  Bellissent-Funel M C, Hassanali A, Havenith M. Water Determines the Structure and Dynamics of Proteins[J]. Chem Rev, 2016, 116(13): 7673-7697. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00664
6. [6]
  Doster W, Cusack S, Petry W. Dynamical Transition of Myoglobin Revealed by Inelastic Neutron Scattering[J]. Nature, 1989, 337(6209): 754-756. doi: 10.1038/337754a0
7. [7]
  Qvist J, Ortega G, Tadeo X. Hydration Dynamics of a HalophilicProtein in Folded and Unfolded States[J]. J Phys Chem B, 2012, 116(10): 3436-3444. doi: 10.1021/jp3000569
8. [8]
  Canchi D R, García A E. Cosolvent Effects on Protein Stability[J]. Annu Rev Phys Chem, 2013, 64(1): 273-293. doi: 10.1146/annurev-physchem-040412-110156
9. [9]
  Frank H S, Franks F. Structural Approach to the Solvent Power of Water for Hydrocarbons; Urea as a Structure Breaker[J]. J Chem Phys, 1968, 48(10): 4746-4757. doi: 10.1063/1.1668057
10. [10]
  Hua L, Zhou R, Thirumalai D. Urea Denaturation by Stronger Dispersion Interactions with Proteins than Water Implies a 2-Stage Unfolding[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2008, 105(44): 16928-16933. doi: 10.1073/pnas.0808427105
11. [11]
  Candotti M, Esteban-Martín S, Salvatella X. Toward an Atomistic Description of the Urea-Denatured State of Proteins[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2013, 110(15): 5933-5938. doi: 10.1073/pnas.1216589110
12. [12]
  Canchi D R, García A E. Backbone and Side-Chain Contributions in Protein Denaturation by Urea[J]. Biophys J, 2011, 100(6): 1526-1533. doi: 10.1016/j.bpj.2011.01.028
13. [13]
  Candotti M, Pérez A, Ferrer-Costa C. Exploring Early Stages of the Chemical Unfolding of Proteins at the Proteome Scale[J]. PLoS Comput Biol, 2013, 9(12): e1003393. doi: 10.1371/journal.pcbi.1003393
14. [14]
  Laurents D, Perez-Canadillas J M, Santoro J. Solution Structure and Dynamics of Ribonuclease Sa[J]. Proteins:Struct Funct Bioinf, 2001, 44(3): 200-211. doi: 10.1002/prot.v44:3
15. [15]
  Phillips J C, Braun R, Wang W. Scalable Molecular Dynamics with Namd[J]. J Comput Chem, 2005, 26(16): 1781-1802. doi: 10.1002/(ISSN)1096-987X
16. [16]
  Mackerell A D, Feig M, Brooks C L. Extending the Treatment of Backbone Energetics in Protein Force Fields:Limitations of Gas-Phase Quantum Mechanics in Reproducing Protein Conformational Distributions in Molecular Dynamics Simulations[J]. J Comput Chem, 2004, 25(11): 1400-1415. doi: 10.1002/jcc.v25:11
17. [17]
  MacKerell A D, Bashford D, Bellott M. All-atom Empirical Potential for Molecular Modeling and Dynamics Studies of Proteins[J]. J Phys Chem B, 1998, 102(18): 3586-3616. doi: 10.1021/jp973084f
18. [18]
  Vanommeslaeghe K, Hatcher E, Acharya C. Charmm General Force Field:A Force Field for Drug-Like Molecules Compatible with the Charmm All-atom Additive Biological Force Fields[J]. J Comput Chem, 2010, 31(4): 671-690.
19. [19]
  Berman H M, Westbrook J, Feng Z. The Protein Data Bank[J]. Nucl Acids Res, 2000, 28(1): 235-242. doi: 10.1093/nar/28.1.235
20. [20]
  Humphrey W, Dalke A, Schulten K. Vmd:Visual molecular dynamics[J]. J Mol Graph, 1996, 14(1): 33-38. doi: 10.1016/0263-7855(96)00018-5

图 1 不同尿素浓度中RNase Sa酶的主链原子RMSD随时间变化曲线。插图中是8 mol/L尿素溶液中RNase Sa酶最后10 ns的平均结构(浅色)与晶体结构(深色)

Figure 1 Time evolution of backbone RMSDs of RNase Sa under different urea concentrations.

Inset is the superposition of the crystal structure(1RGG, dark color) and average of equilibrated conformations(light color) in 8 mol/L urea

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 不同尿素浓度中水(深色)和尿素分子(浅色)中氧原子在RNase Sa酶周围的距离分布情况。插图为尿素分子和水分子数目比值的距离分布情况

Figure 2 Distributions of oxygen atoms of water(dark color) and urea(light color) depending on the distance away from any atom of RNase Sa surface. The inset shows the distribution of ratio of oxygen atoms of urea and water

a, b, c, d, e denote the 0, 2, 4, 6, 8 mol/L urea concentrations, respectively

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 不同尿素浓度中(A)RNase Sa酶水合层内水(深色)和尿素分子(浅色)的停留时间相关函数S(t)和(B)偶极-偶极时间相关函数C_μ(t)

Figure 3 (A) Survival time correlation function S(t), and (B)rotational time correlation function(TCF) C_μ(t) of water(dark color) and urea(light color) in the hydration shell under different urea concentrations

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 不同尿素浓度中尿素分子在RNase Sa酶水合层内和本体溶液中的分配系数K_p和尿素分子在疏水和亲水残基周围的分布情况

c(urea)/(mol·L^-1)	K_p	Hydrophobic Residues		Polar/Charge Residues		R^*
c(urea)/(mol·L^-1)	K_p	SASA/nm²	N_urea	SASA/nm²	N_urea	R^*
2	2.48±0.50	0.420 5±0.318 0	1.01±0.62	0.822 8±0.535 9	1.48±0.78	1.34
4	1.91±0.33	0.422 1±0.321 8	1.41±0.88	0.805 4±0.532 1	1.97±1.03	1.37
6	1.95±0.26	0.462 4±0.347 8	1.94±1.04	0.843 9±0.562 5	2.62±1.24	1.35
8	1.77±0.14	0.413 0±0.297 6	2.35±1.18	0.866 3±0.578 2	3.45±1.61	1.43
K_p is the ratio of R_uw(the urea/water ratio) in the hydration shell to R_uw in bulk water. SASA is the solvent accessible surface area of a residue. N_urea is the number of urea molecules. RO^* is the ratio of N_urea around hydrophobic residues and polar/charge residues at unit SASA.

下载: 导出CSV

表 2 水和尿素分子与RNase Sa酶形成的氢键分析

Table 2. Descriptions of water-protein and urea-protein hydrogen bonds formed

c(urea)/(mol·L^-1)	R_D/A		R_BB/SC		R_U/W
c(urea)/(mol·L^-1)	Water	Urea	Water	Urea	R_U/W
0	1.43±0.09	-	1.07±0.07	-	-
2	1.35±0.10	2.76±1.14	1.02±0.08	1.36±0.52	1.56±0.26
4	1.28±0.11	2.62±0.81	1.00±0.10	1.15±0.29	1.52±0.21
6	1.30±0.13	2.69±0.62	1.06±0.10	1.35±0.35	1.42±0.19
8	1.30±0.41	2.36±0.40	1.02±0.12	1.20±0.23	1.47±0.18
R_D/A is the ratio of urea and water acting as hydrogen bond(HB) donor and acceptor; R_BB/SC is the ratio of HBs of urea and water formed with backbone(BB) and side chain(SC) of RNase Sa; R_U/W is the ratio of protein-urea(U) HBs and protein-water(W) HBs normalized with the number of urea and water molecules in the hydration shell.

下载: 导出CSV

表 3 不同尿素浓度中，RNase Sa酶水合层内水和尿素分子平均停留时间和旋转时间及其与RNase Sa酶平均的相互作用强度

c(urea)/(mol·L^-1)	Survival time/ps		Rotational time/ps		Interaction energy/(kcal·mol^-1)
c(urea)/(mol·L^-1)	〈τ_S^W〉	〈τ_S^U〉	〈τ_C^W〉	〈τ_C^U〉	〈E_PW〉	〈E_PU〉
0	15.35	-	6.41	-	-3.9	-
2	17.98	58.74	8.29	23.98	-4.6	-9.2
4	21.21	50.47	9.56	25.48	-4.2	-8.1
6	23.24	59.52	10.13	25.06	-4.2	-7.6
8	27.11	74.39	12.81	33.48	-4.4	-7.8

下载: 导出CSV

扫一扫看文章

计量

PDF下载量: 0
文章访问数: 1724
HTML全文浏览量: 404

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142